擂臺機器人設計及仿真分析

章 森，王 鋒，趙河明，彭志凌

（中北大學機電工程學院，山西 太原030051）

0 引言

隨著近年來智能概念的不斷普及和智能化技術的不斷發展，越來越多的國家和地區將機器人大賽作為一個普及機器人知識、選拔機器人技術人才和轉化機器人技術的重要平臺，擂臺機器人大賽作為機器人大賽的一個項目應運而生。擂臺機器人大賽參照了中國古代擂臺賽的比賽方法，比賽雙方通過在擂臺上進行搏斗，掉下擂臺的一方即輸掉比賽[1]。

擂臺機器人整體機構的合理性和穩定性是機器人贏得比賽的重要前提，研究擂臺機器人的設計具有重要的意義。內蒙古工業大學劉洋等人提出了一種新型涵道武術擂臺機器人，該機器人在中心增加了一臺12扇葉的涵道風扇，增大了機器人與臺面之間的摩擦力[2]；南京大學金陵學院張恒等提出了一種新的擂臺機器人的設計方案，并從控制策略、運動規劃、控制系統、感知系統、運動系統和機械結構等方面對該機器人進行了介紹[3]；北京信息科技大學宋博飛等人對擂臺機器人機器人進行了創新設計，整體采用激光切割的一體化成型的不銹鋼鏤空鋼板搭配大扭矩電機和紅外測距傳感器，增加了機器人的穩定性[4]；文獻[5-8]提出了新的擂臺機器人設計方案，并對其進行了研究。

本文提出并設計了一款輪式擂臺機器人，對機器人的控制裝置、行走裝置、驅動裝置、信號采集裝置和動力裝置進行了設計，并對該機器人的關鍵零件進行了力學分析和強度校核，最終從理論上驗證了該機器人的可靠性。

1 機器人總體設計

擂臺機器人通常由機架、行走裝置、動力裝置、信號采集裝置、驅動裝置、控制裝置、攻擊裝置組成，如圖1所示。機架的主要作用是承載機器人的其他裝置，起到支撐作用；行走裝置主要由電機和輪胎組成，是機器人運動的關鍵部分，對整個機器人的結構起到關鍵作用；動力裝置的主要作用是給機器人提供動力，主要包括鋰電池和降壓模塊；動力裝置的作用是多外界的數據進行采集，主要包括紅外測距傳感器、光電開關和灰度傳感器等；驅動裝置給電機提供驅動信號，將控制裝置發出的指令轉化為電信號從而驅動電機運動；控制裝置是整個機器人的核心，負責對傳感器采集來的數據進行處理，同時對機器人發出相應的指令來控制其運動；攻擊裝置是擂臺機器人的利器，它的主要作用是對對方機器人發起攻擊，使得對方機器人喪失行動能力或者掉下擂臺。

結合結構圖1，擂臺機器人根據紅外測距傳感自由行走，利用攻擊鏟自由轉動向對方進行攻擊，令對方失去行動能力或將對方推下擂臺，進而結束比賽。

圖1 機器人結構

2 機器人硬件設計

2.1 控制裝置

控制裝置是機器人的核心，被譽為機器人的“大腦”。在數控設備中，主控制板具有數據收集、信息處理運算、指令輸出等功能，在擂臺機器人設計中，同樣需要控制裝置來充當機器人的“大腦”。

擂臺機器人在擂臺上的可能遇到的情況多種多樣，需要接收來自多個傳感器的數據，并對傳感器的數據處理后發出指令，數據處理量量較大，數據處理速度要求較高，所以對擂臺機器人的主芯片要求較高，因此擂臺機器人控制裝置選用的主芯片為STM3F103VE高速處理芯片，該芯片嵌入了512KB閃存，主頻達到72 MHz，處理速度達1.25百萬條指令/Mhz。

2.2 行走裝置

2.2.1電機選型

在進行電機功率選擇的時候，為了簡化計算，只考慮機器人在擂臺上做直線運動的情況，并且輪胎變形、地面打滑、空氣阻力等因素忽略[9-10]，由文獻[9]可知電機的功率大致為：

式中P是電機功率，v是機器人移動速度，r是輪胎半徑，η是電機效率

根據確定出的功率公式，經過計算采用扭矩為53.7 kg·cm納英特電機N-F-0321。納英特電機是專為機器人設計的一款直流減速電機，整機由金屬材質制成，內裝有散熱模塊，擁有出色性能。性能參數如表1所示。

表1 N-F-0321性能參數

2.2.2輪胎選型

市場上常見的機器人輪胎有駝峰輪胎、光頭輪胎、麥克納姆輪和耐磨橡膠輪等。擂臺機器人在擂臺上要有較強的抓地能力，并且需要及時躲避對方機器人的攻擊而轉彎，所以擂臺機器人的輪胎要有一定的抓地能力，并且要有靈活的轉彎能力，因此此次設計選用67 mm駝峰輪胎作為機器人的輪胎較為合理。駝峰輪胎輪胎外圈采用硅膠制作，整體耐磨度較高，抓地能力較強，并且具有方便更換的優點。

2.3 驅動裝置

擂臺機器人在擂臺上會出現經常性的急停急轉以及轉彎等，因此對機器人的電機驅動板提出了較高的要求，其驅動板要求有較大的驅動電流和較強的過載保護能以保證機器人的正常運行，根據電機的功率及電池的輸出電壓等參數，此次設計選擇的是AQMH2407ND直流電機驅動模塊。該驅動模塊專用于戰車、玩具、機器人等電機驅動，具有較強的驅動性能和極佳的過載保護。

除此之外，AQMH2407ND電機驅模還具有良好的電氣性能，具有很寬的PWM波輸出，對于機器人所需的轉速調節具有重要的作用。

2.4 信號采集裝置

擂臺機器人的信號采集裝置選擇的是Sharp系列高精度紅外測距傳感器、灰度傳感器和光電開關。該傳感器的組合能夠使得機器人能夠探測到擂臺的邊沿，并判斷其在擂臺中的位置，還能夠實時檢測對方的機器人。

由于Sharp系列的紅外測距傳感器的性能優越，因此采用型號為Sharp GP2D12紅外測距傳感器來檢測對方機器人。納英特NC0901灰度傳感器測量數據較為穩定，較多的運用在各類的機器人，本文采用其對擂臺表面灰度進行識別。

2.5 動力裝置

擂臺機器人采用電機驅動，因此設計采用電池為機器人供電。考略到機器人的整體空間較小，不宜采用大容量單體航模電池給機器人供電，所以擬采用18650電池串并聯給機器人供電。采用2節18650電池串聯成1組，再將5組18650電池并聯為機器人供電。18650電池具有較多的優勢，在使用上可以完全滿足擂臺機器人機器人的要求。

3 機器人結構設計及仿真分析

擂臺機器人由于對抗性較強，需要有較高的抗沖擊性能，因此本體采用奧氏體304作為機器人外殼的材料。在紅外測距傳感器布放上，采用前、后、左前、右前、左后、右后方分別布放一個的策略，增大機器人的檢測范圍，減少其盲區。其布放如圖2所示。

圖2 紅外測距傳感器布放位置

機器人的攻擊鏟采用斜坡鏤空設計，不僅減輕了機器人的自重，同時也增加了機器人整體的美觀感和力量感，如圖3所示。

圖3 機器人攻擊鏟

攻擊鏟與機器人的本體的連接采用的是由焊接成型的L型桿，該零件使得機器人的攻擊鏟能夠在上臺之后順利下落，保證機器人完成預定的功能，其結構如圖4所示。連桿在擂臺機器人中的主要作用是將攻擊鏟與機器人上的軸承相連接，實現攻擊鏟的自由轉動，在機器人對抗過程中，對方機器人的強大沖擊力通過攻擊鏟傳給了連桿，所以連桿的攻擊過程也會收到較大的沖擊力，所以對機器人的連桿進行校核是十分必要的。由于擂臺機器人具有較強的對抗性，為了防止機器人在比賽過程中由于應力太大而造成零件失效，所以在擂臺機器人設計中需要對機器人關鍵零部件進行應力校核。此次設計采用Solidworks進行三維建模，而SolidWorks Simulation是一個與SolidWorks完全集成的設計分析系統，為進行無縫銜接，避免出現格式轉化的不兼容，所以此次仿真采用SolidWorks Simulation進行。

圖4 機器人連桿

目前大多數的擂臺機器人所采用的電機的轉速n在900 r/min左右，而機器人所采用的輪胎的直徑D為67 mm，所以通過公式v=n*l（l=π*D為機器人輪胎的周長）可以計算得機器人的最大速度為v=3.1557 m/s，機器人的整體重量按照4.0 kg計算，接觸時間t取0.5 s，由動量定理F=m*v/t可得擂臺機器人攻擊鏟受到的最大沖擊力為F=25 kg。

連桿的應力、應變云圖如圖5所示。從圖中可知，機器人連桿各部分的應變較小，在比賽過程中不會出現應變破壞，可以滿足機器人對連桿強度的要求。

圖5 連桿應力、應變云圖

4 結論

本文提出了一種新型的輪式擂臺機器人，并對該機器人的控制裝置、行走裝置、驅動裝置、信號采集裝置和動力裝置進行了設計，并對該機器人的結構進行了設計和仿真分析，分析結果表明，該機器人能夠滿足擂臺比賽激烈對抗的要求，對未來新型的擂臺機器人設計提供一些參考價值。